ابر رسانایی انیونی

کن لیونز فیزیکدان آزمایشگاه AT & TBell دریک سخنرانی خارج از برنامه در جلسه ماه مارس انجمن فیزیک آمریکا اطلاعات شگفتی آوری درباره ابر رساناهای گرم ارائه کرد، که ممکن است نحوه کار این ار رساناها را برایمان روشنتر کند. بیش از سه سال است که پژوهشگران روی این مواد بالقوه مفید تحقیق کرده اند، اما هنوز به هیچ نظریه ای که چگونگی ابر رسانا شدن آنها را توضیح بدهد و مورد توافق همگان هم باشد، دست نیافته اند. یکی از نظریه ها که داده‌های لیونز تا اندازه ای مؤید آن است این است که انیونها در ابر رسانایی گرم دست دارند؛ انبونها شبه ذرات عجیبی هستند که فقط در دو بعد وجود دارند. با آن که لیونز ارتباط انیونها و ابر رسانایی را به صورت یک پیشنهاد مطرح کرد، بسیاری از دانشمندان حاضر در جلسه از این خبر به شدت هیجان زده شدند.
از سال 1987 که ابررساناهای گرم کشف شدند، نظریه‌های زیادی برای توضیح آنها ارائه شده است.
ولی هنوز هیچ کدام از آنها را نمی‌توان نام برد که مورد قبول تعداد زیادی فیزیکدان باشد. بعضی از نظریه دانها پیشنهاد کرده اند که شاید کلید درک خواص ابررساناها، در صفحات دو بعدی حاوی اتمهای مس و اکسیژن است که ظاهراً محمل جریان در این موادند. رابرت لافلین از دانشگاه استانفورد، موافق با این نظر، پیشنهاد کرده است که احتمالاً انیونها عامل ابر رسانایی در این موادند.
نظریه انیون پیش بینی‌های زیادی درباره رفتار ابررساناهای گرم می‌کند. آزمون خیلی از این نظریه ها مشکل است، ولی آزمایش لیونز اولین آزمایشی است که قرینه محکمی‌حاکی از احتمال وجود انیونها را در ابر رساناهای گرم به دست می‌دهد. لیونز هشدار داد که حتی اگر انیونها در این مواد وجود داشته باشند، لزومی‌ندارد که "عامل ابررسانایی" به شمار بروند. با این حال این مشاهدات، در صورتی که تأیید شوند، کمک خواهند کرد که بتوان میان نظریه‌های رقیب ابر رسانایی گرم، برخی را برتر شمرد.
فهم انیونها با توجه به قیاس با فرمیونها و بوزونها، که دو نوع ذره ممکن در جهان سه بعدی هستند میسر است. فرمیونها که پروتونها، نوترونها، و الکترونها از زمره آنان اند، ذراتی "گوشه گیر" اند، دو فرمیون در هیچ سیستمی‌نمی‌توانند یک حالت کوانتومی‌که فوتونها از زمره آنها هستند، در جمع می‌لولند، نه تنها تعداد زیادی بوزون همانند می‌توانند وجود داشته باشند، بلکه این ذرات ترجیح می‌دهند که همان حالت کوانتومی‌را اختیار کنند که بقیه بوزونها در آن اند. انیونها در حد فاصل فرمیونها و بوزونها جا دارند.
تعریف دقیق انیون تا اندازه ای فنی است و فقط با اصطلاحات مکانیک کوانتومی‌می‌توان آن را بیان کرد. به زبان ریاضی، فرمیونها، بوزونها، و انیونها همگی بر حسب تابع موجهای کوانتومی‌سیستمی‌متشکل از دو یا چند ذره تعریف می‌شوند. اگر در یک سیستم جای دو فرمیون را عوض کنند، تابع موج آرایش جدید 1. برای تابع موج آرایش قبلی است؛ می‌توان چنین تصور کرد که تابع موج 180 درجه چرخیده است. اگر دو بوزون در یک دستگاه جایشان را عوض کنند تابع موج تغییری نمی‌کند، مگر می‌توان گفت که تابع موج 0 درجه یا 360 درجه چرخیده است.
از طرف دیگر در یک سیستم انیونی، اگر جای دو ذره با هم عوض شود، تابع موج می‌تواند به اندازه "هر" زاویه ای بچرخد. به همین دلیل، فرانک ویلچک، از انستیتوی مطالعات عالی، آنها را "انیون" نامید (که می‌شود آن را "هرچیون" ترجمه کرد).
ویلچک اولین بار به توصیف انیونها پرداخت. اگر چه از دید ریاضی انیونها موجوداتی دو بعدی اند، ولی در دنیای سه بعدی واقعی هم می‌توانند نقشی داشته باشند. دلیلش این است که سیستمهای زیادی وجود دارند که رفتارشان دو بعدی است.آشناترین مثال، گاز الکترونی دو بعدی است. در بعضی نیم رساناهای لایه ای، الکترونها مقید به ناحیه بی اندازه نازکی از موادند و بنابراین عملا در 2 بعد حرکت می‌کنند، این خاصیت ممکن است به رفتار خیلی عجیبی منجر شود، مثل اثر کوانتومی‌کسری هال، که در آن حرکت بار به صورتی است که گویی کسری از بار یک الکترون منفرد است. نظریه دانها نشان داده اند که اثر کسری کوانتومی‌هال را با فرض وجود انیونها می‌توان توضیح داد.
لیونز از آزمایشگاههای بل، برای تحقیق وجود انیونها در بعضی مواد ابر رسانا به این طریق عمل کرد که نور لیزر قطعی شده را به نمونه‌های این مواد تاباند و قطبش نور باز تابیده را اندازه گرفت. این آزمایشها که 2 ماه طول کشید، درست 3 روز پیش از گردهمایی ماه مارس تکمیل شد. گروه او بلورهای YBa2Cu3O و لایه‌های نازک YBa2Cu3O و بلور Bi2Sr2CaCu2O7 را امتحان کردند. با آن که اندازه گیری دقیق نور بازتابیده مشکل بود، پژوهشگران توانستند نشان بدهند که قطبش نور بازتابیده با قطبش فرودی به نحو خاصی تفاوت دارد.
به نظر لیونز این تغییر قطبش واقعاً حیرت آور بود؛ با این حال او معترف است کارش با اندکی تردید مواجه شده است. در اکثر مواد وقتی نور مستقیماً به عقب بازتابیده می‌شود قطبش، به دلیل تقارن وارونی زمان، تغییر نمی‌کند. یعنی هر تغییری که به هنگام ورود در قطبش نور به وجود می‌آید، دقیقاً در مسیر برگشت جبران می‌شود و هیچ تغییری در قطبش دیده نخواهد شد. اگر نور قطبیده از ماده ای منعکس شود که دارای یک میدان مغناطیسی داخلی است، وارونی زمان ممکن است نقض شود. اما ابررساناها میدان مغناطیسی را از داخل خود طرد می‌کنند، در نتیجه نظریه دانها فرض می‌کنند که این تقارن در ابررساناها نقض نمی‌شود.
گروه لیونز، برای این که ببینند آیا تغییر قطبش به ابررسانایی مواد مربوط است یا نه، نمونه‌هایی YBa2Cu3O را گرم کردند تا مقداری از اکسیژن آن خارج شود و ابر رسانایی آن از بین برود. با از بین رفتن ابررسانایی، تغییر قطبش هم ناپدید شد، یعنی نور لیزر باز تابیده همان قطبش باریکه فرودی را داشت. پس نقض وارونی زمان با ابررسانایی مرتبط بود.
لیونز به نتایج حاصل اطمینان داشت ولی به دو نکته احتیاطی اشاره کرد. اگر چه برای نقض وارونی زمان در ابررساناها توضیحی جز انیونها سراغ ندارد، ولی به نظریه دانها توصیه کرد که به جستجوی سایر علل ممکن بپردازند. نکته دیگر جنبه آزمایشی داشت: ممکن است تکه‌های کوچک مواد مغناطیسی غیر ابررسانا، نمونه‌هایی آزمایش او را آلوده کرده و موجب سیگنالهایی مشهود شده باشند.